Pembahasan OKTAN/CRYSTAL ITB 2020 Perempat Final Essay 2

Soal

Asupan Oksigen Perjalanan Luar Angkasa (35)

Pada suatu waktu di masa depan, bumi akan kehabisan energi untuk diambil. Hal ini mengharuskan peradaban manusia untuk melakukan perjalanan luar angkasa dalam rangka mencari sumber energi baru. Dalam perjalanan luar angkasa, salah satu kebutuhan yang harus dipenuhi adalah oksigen. Teknologi pakaian angkasawan yang dikembangkan hingga saat ini menggunakan oksigen murni sebagai sumber oksigen. Alasan utama digunakannya oksigen murni adalah jumlah oksigen yang lebih berlimpah.

Dalam suatu sampel tangki oksigen yang sedang diuji kemurniannya, dilakukan beberapa tahap analisis kualitatif dan kuantitatif. Analisis kualitatif Gas Chromatography menunjukan bahwa sampel jauh dari murni dan masih mengandung CO2 dan N2. Untuk mengetahui kadar setiap gas, sampel gas dianalisis, dimana dilakukan rangkaian tahapan berikut:

50 cm3 gas terlebih dahulu dimasukan kedalam alat pengukur tekanan dengan volume tangki 250 cm3, pada 25 oC. Tekanan yang terbaca dari gas dalam rangkaian tersebut adalah 147,44 mmHg.

a. Tentukan jumlah mol total gas dari sampel yang dinalisis. (3)

Sampel gas selanjutnya dianalisis dengan metode Wingkler. Terlebih dahulu disiapkan rangkaian yang telah divakumkan, rangkaian ini terdiri dari labu bundar 250 mL dengan dinding yang terisi oleh Mn(OH)2 yang telah dibasahi oleh air dalam jumlah berlebih. Salah satu ujung dari rangkaian merupakan tempat masuk gas dan ujung lainnya disambungkan dengan pengisap vakum. 50 cm3 sampel gas dari tangki yang sama selanjutnya dilewatkan kedalam rangkaian dan reaksi dibiarkan selama 2 jam. Dalam jangka waktu ini, akan terjadi reaksi redoks antara Mn(OH)2 dan O2 menghasilkan Mn(OH)3. Kedalam labu bundar, dengan segera ditambahkan larutan KI dan H2SO4 dalam jumlah berlebih hingga volume akhir dari larutan mencapai 250 mL. Pada reaksi ini, Mn(OH)3 akan bereaksi dengan I menghasilkan Mn2+ dan I2. Berdasarkan metode analisis yang dilakukan,

b. Tuliskan setiap reaksi setara yang terjadi dalam analisis ini. (4)

25 mL larutan akhir yang diperoleh selanjutnya dipindahkan kedalam labu Erlenmeyer untuk dianalisis. Larutan selanjutnya diencerkan dan dititrasi dengan Na2S2O3 baku 0,0624 M hingga larutan berwarna kuning pucat. Pati selanjutnya ditambahkan kedalam larutan dan larutan kembali dititrasi hingga larutan berubah menjadi bening. Dalam titrasi yang dilakukan, jumlah Na2S2O3 baku 0,0624 M yang digunakan adalah 11,4 mL.

c. Sebutkan analit, titran, dan indikator dalam titrasi yang dilakukan. (3)

d. Berdasarkan titrasi yang dilakukan tentukan konsentrasi I2 dalam larutan awal. (6)

e. Tentukan % jumlah O2 dalam tangki oksigen. (5)

50 cm3 sampel gas dari tangki yang sama dialirkan kedalam rangkaian yang bersifat vakum. Pertama-tama sampel gas dilewatkan kedalam sel elektrokimia yang mengkonversi setiap O2 menjadi H2O (l) dan CO2 menjadi CO (g). Hasil dari reaksi tersebut selanjutnya dialirkan kedalam 10 mL larutan [Cu(NH3)5](NO3)2 10 mM dalam pelarut ammonia. Dalam tahapan ini, tidak terjadi perubahan volume. Selain itu, Kompleks [Cu(NH3)5](NO3)2 akan mengikat CO menghasilkan satu kompleks lainnya dengan bilangan koordinasi 5. Larutan yang dihasilkan selanjutnya dianalisis dengan metode spektrofotometri UV-Vis dan TGA (Thermogravimetric Analysis). Hasil dari analisis spektrofotometri menunjukan penurunan konsentrasi [Cu(NH3)5](NO3)2 menjadi 5,633 mM dan metode TGA memberikan kesimpulan bahwa senyawa kompleks yang terbentuk mengandung 22,4% berat Cu.

f. Jelaskan secara singkat, mengapa spektrofotometri UV-Vis dapat digunakan untuk menganalisis jumlah kompleks yang terbentuk. (Hint: CO adalah ligan dengan medan yang lebih kuat dibanding NH3) (3)

g. Tentukan kompleks yang terbentuk pada analisis tersebut. (6)

h. Tentukan % jumlah CO2 dan % jumlah N2 dalam sampel tersebut. (5)

Pembahasan

a. Dengan asumsi semua gas adalah gas ideal, kita bisa langsung menggunakan persamaan gas ideal, dengan volume yang digunakan adalah volume tangki:

$${n = \frac{PV}{RT} = \frac{\frac{147.44}{760}atm \times \frac{250}{1000}L}{0.0820574\,L\,atm/mol\,K \times 298.15\,K} = 1.98 \times 10^{-3}\,mol}$$

b. Reaksi pertama adalah reaksi redoks antara $\ce{Mn(OH)2}$ dengan gas oksigen dalam keadaan netral/basa. 4 ekuivalen mangan (biloks berubah dari +2 ke +3) akan bereaksi dengan 1 ekuivalen gas oksigen (biloks masing-masing atom berubah dari 0 ke -2):

$$\ce{4 Mn(OH)2(aq) + O2(g) + 2 H2O(l) -> 4 Mn(OH)3(aq)}$$

Selanjutnya, 1 ekuivalen mangan (biloks turun dari +3 ke +2) dalam suasana asam akan mengoksidasi 1 ekuivalen iodida (biloks naik dari -1 ke 0):

$$\ce{2 Mn(OH)3(aq) + 2 I-(aq) + 6 H+(aq) -> I2(aq) + 2 Mn^{2+}(aq) + 6 H2O(l)}$$

c. Analit = iodine, titran = thiosulfat, $\ce{Na2S2O3}$, indikator = pati

d. Berikut ini adalah reaksi titrasi tersebut:

$$\ce{I2(aq) + 2 S2O3^{2-}(aq) -> S4O6^{2-}(aq) + 2 I-(aq)}$$

Kita tahu bahwa konsentrasi iodine akhir dan awal sama, sehingga bisa langsung kita tentukan konsentrasi iodine dari titrasi ini:

$${C_{I_2} = \frac{mol_{I_2}}{V_{I_2}} = \frac{1/2 \times 0.0624\,M \times 11.4 \,mL}{25\,mL} = 0.0142\,M}$$

e. Dari konsentrasi iodine pada soal (d), kita dapat menentukan mol iodine dalam labu bundar 250 mL tersebut, sehingga dari situ kita bisa langsung mendapatkan mol gas oksigen:

$${mol_{O_2} = 2/4 \times mol_{I_2} = 2/4 \times 0.0142\,M \times \frac{250}{1000}L = 1.78 \times 10^{-3}\,mol }$$

Sehingga:

$${\%_{O_2} = \frac{1.78 \times 10^{-3}}{1.98 \times 10^{-3}} \times 100\% = 89.7\%}$$

f. Sederhananya, adanya ligan dengan medan yang lebih kuat akan memperlebar jarak energi orbital-orbital d, sehingga energi yang dibutuhkan untuk transisi d ke d akan meningkat, sehingga panjang gelombang cahaya yang dibutuhkan untuk eksitasi mengalami perubahan.

g. Kita bisa dapat mendapatkan nilai $M_{r\,kompleks}$ dari analisis TGA:

$${M_{r\,kompleks} = \frac{100}{22.4} \times 63.546\,g/mol = 283.7\,g/mol}$$

Misal kompleks baru yang terbentuk kita rumuskan sebagai $\ce{[Cu(NH3)_x(CO)_y](NO3)2}$. Kita bisa cari nilai x dan y dari data $M_{r\,kompleks}$:

$${M_{r\,kompleks} = (63.546 + 17.031x + 28.01y + 2 \times 62.004) g/mol \Rightarrow 17.031x + 28.01y = 96.135\,g/mol}$$

Maka nilai x dan y yang memenuhi adalah 4 dan 1, sehingga rumus kompleks tersebut adalah $\ce{[Cu(NH3)4(CO)](NO3)2}$

h. Karena 1 ekuivalen karbonmonoksida bereaksi dengan kompleks, maka dari data penurunan konsentrasi kompleks kita bisa mendapat mol karbon monoksida, yang sama dengan mol karbondioksida:

$${mol_{CO_2} = (10-5.633)mM \times \frac{10}{1000}L = 4.37 \times 10^{-5}\, mol}$$

Sehingga:

$${\%_{CO_2} = \frac{4.37 \times 10^{-5}}{1.98 \times 10^-3} \times 100\% = 2.20\%}$$

Dan:

$${\%_{N_2} = (100 – 89.7 – 2.20)\% = 8.09\%}$$

Silahkan gunakan kolom komentar untuk bertanya atau mengoreksi pembahasan saya!

Leave a Reply